摘要:為滿足日趨嚴格的環保法規和減少碳排放的需求,燃氣輪機的技術發展呈現出低排放、高參數、多燃料和寬工況靈活運行的趨勢.現有的單一旋流貧預混燃燒技術已經不能適應這些新的變化.因此,該文挑選了10種有潛力的先進燃燒技術展開綜述,首先簡要介紹其原理和發展現狀,然后針對燃氣輪機未來發展趨勢,從技術成熟度、污染物排放等方面分析其應用前景和可行性,并提出下一步需要突破的技術瓶頸和關鍵問題.在此基礎上,提出了一種評價方法,分析和比較各技術的綜合性能和實施難易程度,為技術路線和攻關方向的篩選提供參考依據.

　　關鍵詞:燃氣輪機;燃燒技術;燃料靈活性;NOx;碳排放

　　20世紀90年代,隨著環保標準的提高,傳統的噴水(或蒸汽)降溫的方法已經不能使燃氣輪機的NOx排放達標.迫于環保壓力,燃氣輪機燃燒技術逐漸從擴散燃燒轉變為貧預混燃燒,產生了現代干式低NOx燃燒室[13].通過將燃料與過量空氣預混,貧預混燃燒降低了火焰溫度峰值,顯著減少了熱力型NOx.以F級燃氣輪機為例[2],采用貧預混燃燒后,NOx排放從42μmol/mol降至9μmol/mol(干基,15%O2摩爾濃度,以下皆同),是燃氣輪機燃燒技術上的一大突破,在國際主流燃氣輪機(F級以上)上得到廣泛應用.

　　21世紀以來,環保法規日趨嚴格.以我國北京和長三角地區為例,NOx排放上限是15μmol/mol,而美國和日本的一些地區排放標準更是達到了2μmol/mol.但嚴格的NOx排放標準與燃氣輪機效率的提升產生了矛盾.為提高循環效率,燃氣輪機的設計參數在持續提高.以三菱最新型的J級燃氣輪機為例[45],其燃氣溫度為1600℃,壓比為25,NOx排放高達25μmol/mol,超過了許多國家和地區的排放上限.雖然能夠通過后處理的方法來滿足NOx排放法規,但也帶來了運行成本的上升和氨逃逸的問題.

　　GE(GeneralElectric)公司的試驗[6]和佐治亞理工學院的計算[7]表明,當燃氣溫度達到1700℃時,即使在理想預混條件下,現有貧預混燃燒室的NOx排放也將超過20μmol/mol.而現有的強旋流預混器,燃料與空氣的預混度一般在98%以上,其NOx減排潛力已經挖掘殆盡.由此可見,對于現有基于強旋流預混的貧預混燃燒室而言,單純依靠增強預混以降低NOx排放的方法已經無法滿足未來燃氣輪機進一步提高燃氣初溫的要求.

　　為應對氣候變化,碳減排已經成為大趨勢.相應地,燃氣輪機的技術發展也將有新的變化.現有的貧預混燃燒技術能否適應這些新的變化?目前,正值我國燃氣輪機專項發展的關鍵時期,厘清這一問題,有助于企業選擇合適的技術路線,有助于科研院所開展針對性的研究.首先,太陽能和風能的發展對燃氣輪機的隨動匹配能力提出了更高要求.美國能源信息署[8]預計,到2050年,太陽能與風能發電在總發電量的比例將從現在的40%增加到70%[7].

　　但是,太陽能與風能具有頻繁波動、隨季節變化的問題,不能與電網的負荷完全匹配.為此,需要用燃氣輪機電站隨動補償.這就要求燃氣輪機具有快速啟停和變負荷能力,能夠在低負荷時穩定運行.但是,現有貧預混燃燒室的低負荷穩定性差,可調比(最低負荷與滿負荷功率之比)一般不低于40%.低于此臨界值,燃燒室不能運行在貧預混模式,NOx排放超標.現有較窄的穩定運行范圍,不能匹配將來隨動補償的要求. 其次,燃燒氫氣或氨氣等無碳燃料對燃氣輪機的燃料適應能力提出了新的要求.這些新型燃料的燃燒和排放特性迥異于傳統天然氣燃料.氫氣的火焰傳播速度非常高,導致預混燃燒時(尤其是有強旋流產生回流區的情況)易發生回火.

　　因此,目前基于強旋流預混燃燒器的燃燒室,不能適應純氫燃料.以西門子燃氣輪機為例,其燃料中氫含量一般不能超過60%,否則就要采用擴散燃燒,導致NOx排放超標.天津煤氣化聯合循環電站中使用的西門子E級燃氣輪機,燃燒煤制合成氣,氫氣體積含量大約25%,采用擴散燃燒,NOx排放40μmol/mol,經過后處理才能達標[9].而對于氨氣這類燃燒速度極低的燃料,其預混火焰穩定性極差.而且由于燃料氮的存在,貧預混燃燒會產生非常高的NOx排放[10].由此可見,現有的基于強旋流燃燒器的貧預混燃燒技術并不適用于氫或氨燃料.

　　綜上所述,現有的基于強旋流燃燒器和頭部分級的貧預混燃燒室已經不能適應未來燃氣輪機高參數、低排放、寬負荷、多燃料的發展要求.未來的先進燃氣輪機,必須要有先進的燃燒技術與之匹配.但未來的燃燒技術發展方向是什么?還有哪些技術瓶頸和關鍵問題需要解決?為回答這些問題,本文將對有潛力的先進燃燒技術展開綜述.首先,簡單梳理現有貧預混燃燒技術的特點,以及各項新技術的原理和發展現狀,并針對上述4個燃氣輪機發展要求(高參數、低排放、寬負荷、多燃料),分析各項技術的特點和關鍵問題.在此基礎上,對比和評估各項燃燒技術的應用前景和可行性,篩選優先攻關方向,供工程和科研人員參考.

　　1先進燃燒技術分析

　　1.1現有貧預混燃燒室

　　與擴散燃燒室相比,現代干式低NOx燃燒室的最根本技術特征為取消了二次空氣孔,絕大部分空氣與燃料預混燃燒,以降低火焰溫度.但由于絕大部分空氣進入燃燒室頭部與燃料預混,導致低負荷時穩定性差(火焰溫度低易熄火),對燃料的適應能力也較差(Wobbe數變化一般不超過10%).

　　因此,燃燒器為強旋流式,在加強預混的同時產生回流區穩定火焰.此外還在頭部布置多個燃燒器,通過調節燃燒器之間的燃料分配及燃燒模式,分級(staging)升降負荷,兼顧高負荷工況的NOx排放和低負荷工況的穩定性. 這種燃燒室實際上是運用了空氣稀釋、預混燃燒、旋流燃燒、分級燃燒(頭部分級)等多項燃燒技術的綜合體.這是因為燃燒室要考慮各方面的要求,包括NOx和CO排放、低負荷穩定性、燃料適應性等.一種燃燒技術很難同時滿足多方面的要求.換言之,一種成功的燃燒室,需要通過多種燃燒技術的組合來滿足各方面的要求.先進燃燒技術大多是針對這幾個方面進行改進,下文分別介紹.

　　1.2軸向燃料分級

　　高等級燃氣輪機(燃氣溫度>1450℃)的NOx主要為熱力型,生成速率與燃氣在燃燒室內的停留時間成正比.因此,盡量減少高溫燃氣的停留時間能夠降低NOx排放.軸向分級燃燒技術就是利用了這一原理.燃燒室在軸向上分為兩級,其燃燒溫度可以獨立調節.空氣和燃料各分為兩部分,一部分空氣與一部分燃料預混后進入第一級燃燒,剩余的空氣與燃料噴入第二級,與第一級燃燒產物混合后繼續燃燒.通過調節兩級的空氣和燃料分配比例。

　　降低第一級的溫度,減少第二級的停留時間,可以有效降低NOx排放.軸向燃料分級繼續沿用了空氣稀釋、預混燃燒、旋流燃燒、頭部分級等多項燃燒技術,可以看做是現有貧預混燃燒室在軸向上增加了一個分級自由度,屬于燃燒組織方式的改進.通過調節第一級和第二級的燃料分配,軸向分級燃燒室不但有效降低了NOx排放,還具有優異的低負荷穩定性,拓寬了可調比.燃料分兩級注入還提高了燃料適應性,允許更大的Wobbe數變化范圍,燃燒活性更高的燃料.此外,由于軸向分級燃燒室增加了后端空氣孔,減小了燃燒室壓力損失,可以提高循環效率,并有助于抑制熱聲振蕩[12].

　　相對于現有的貧預混燃燒室,軸向燃料分級只是在后端增加了燃料和空氣噴入裝置,前端還可以沿用原來的貧預混燃燒室頭部設計,較為容易實現,成為新一代主流燃燒技術.20世紀90年代,ABB(ASEABrownBoveri)公司的GT24/26燃氣輪機率先使用了2個貧預混燃燒室串聯(中間有高壓渦輪)的方法,獲得了很好的低負荷穩定運行性能.但該方案也帶來了成本高、第2個燃燒室易回火等問題,沒有獲得商業上的成功.GE公司首先在H級重型燃氣輪機上使用單個燃燒室內軸向燃料分級技術,并實現商業運行[12].

　　NOx排放相比于非分級燃燒室有30℃的優勢,可調比從43%拓寬到25%[12].利用此技術改造的E級燃氣輪機[11],可調比從60%拓寬到35%.Ansaldo公司的GT36燃氣輪機[13]使用了軸向分級燃燒室,NOx排放低于25μmol/mol,可調比拓寬到30%.研究[1417]表明,軸向燃料分級燃燒降低NOx排放的關鍵在于調節第一級與第二級之間的燃料分配、空氣分配與停留時間分配,使得:1)在保證第一級穩定燃燒的前提下,盡量提高第二級的燃料分配(降低第一級燃氣溫度);2)在燃盡CO的前提下,盡量縮短第二級的燃氣停留時間;3)第二級反應物與第一級燃氣盡量混合充分后燃燒.但是,GE單筒燃燒室的試驗結果表明,出口溫度一定的情況下,隨著第二級燃料比例的增加(第一級燃燒溫度降低),NOx排放并不是單調降低,而是呈現先下降后上升的趨勢.這一現象違背了分級燃燒室降低NOx排放的原理,即NOx排放隨第一級燃氣溫度降低而單調降低.

　　2先進燃燒技術比較

　　以上綜述表明,相對于現有的技術,新型燃燒技術的變化可以歸納為4類:1)改進各個燃燒器之間的組織與分級方式,比如在頭部分級基礎上增加了軸向分級;2)改進單元燃燒器的性能,比如從強旋流改為低旋流或管式微混;3)加強稀釋、改變空氣組分,比如煙氣循環和富氧燃燒;4)改變燃燒模式,比如催化燃燒、柔和燃燒和增壓燃燒.總結了這4類改進思路及其原理.至于哪一類更有效、哪一類更有發展潛力,還需要針對NOx排放、低負荷穩定性和燃料適應性這三大性能指標,開展具體分析.

　　為便于分析和比較,本文總結了各種先進燃燒技術的成熟度和關鍵性能指標,并對其打分.其中的技術成熟度參考美國航空航天局的定義:3為概念驗證,5為部件級相關工況驗證,7為整機驗證,9為商業運行.以此為參照,其他技術性能指標也為1—9分,1分最差,9分最優,3分為現有的旋流+頭部分級貧預混燃燒技術.以旋流+頭部分級貧預混燃燒技術為基準,分為1—3、4—6、7—9三個等級,每級為一個代差.

　　如果一項技術與現有基準相比有一個代差,例如軸向分級的NOx排放相比現有的旋流+頭部分級貧預混燃燒技術有顯著降低,可以支撐燃氣溫度上一個等級,分值加3.如果能夠產生革命性的突破(例如柔和燃燒的NOx接近于0,相比現有技術有2個代差),分值加6.如果只能產生較小的改善,不能產生代差,其分值加1或2.如果比現有貧預混技術還差,則減1或2.

　　3未來技術發展路徑

　　可以分析比較各項技術的優缺點,提出適用于下一代高效低排放燃氣輪機的技術發展路線,并進一步考慮未來碳減排的需要,探討有潛力的技術發展路線.

　　3.1下一代燃氣輪機燃燒技術

　　技術路線的選擇,不但要考慮實施后的性能增益,還要考慮實施的難易程度.而技術成熟度可以作為一個實施難易程度的參考.技術成熟度越高,意味著研發風險越低,研發周期越短.因此,以綜合性能增益為橫軸,以技術成熟度為縱軸,將上述各技術顯示在其中.其中增壓燃燒各項性能未知,不參與評比.以性能增益得分2和技術成熟度5為分界線,可以將這10項燃燒技術分布在4個區域.右上角的區域代表性能好、技術成熟度最高(研發風險低),應該作為優先發展路線;右下角的區域代表性能好,但是離商業應用還有相當距離,還需要深入研究和驗證;左上角可以作為輔助方法考慮,左下角不值得考慮.

　　燃料軸向分級和空氣軸向分級技術成熟度最高,已經實現商業運行,研發風險最小.改變燃燒模式(如催化燃燒)也有很高的增益,但其技術成熟度較低,實施中有很多不確定性,需要在整機上充分驗證.改變空氣組分的方法(富氧燃燒)雖然增益非常高,但需要有空氣分離裝置,顯著降低系統效率.如果不考慮碳捕捉的需要,則沒必要使用富氧燃燒.以上分析表明,通過增加分級和燃燒器組合來改變燃燒組織方式最容易實現,也能得到很好的效果.因此,軸向分級是我國研制下一代燃氣輪機的首選技術路線.

　　此外,4類改進方法,有些可以聯合使用以達到最大增益.正如在節2.2中分析過的,軸向分級燃燒是在旋流預混+頭部分級的基礎上增加了軸向分級的自由度,從而獲得了很好的性能改善.參照這個思路,可以考慮改進軸向分級燃燒室中的單元燃燒器,以期獲得更大的性能增益.微混燃燒器和低旋燃燒器是2個很好的選擇,不但能夠進一步降低NOx排放,還適合高氫燃料.因此,綜合考慮下一代燃氣輪機NOx減排和燃氫的需要,當前應該大力發展以微混燃燒器或低旋燃燒器與軸向分級相結合的路線.

　　考慮到微混燃燒器的技術成熟度比低旋燃燒器高,微混燃燒器與軸向分級的路線應是最優路線.其他的燃燒技術也可以參照這個思路進行改進,強化增益,彌補缺陷.比如催化燃燒的性能得分很高,尤其是適合反應活性低的燃料,但是存在催化劑受熱失效的問題.可以與軸向空氣分級相結合,將催化劑置于富燃區,降低催化劑溫度,并且防止回火.柔和燃燒的得分也比較高,但其技術成熟度還很低,需要進一步在相關條件(高壓)下展開研究.可以考慮與煙氣循環結合,在燃燒室內部實現煙氣循環,加熱并稀釋反應物,達到無焰燃燒條件.增壓燃燒在提高效率方面有獨特的優勢,如果能夠實現,則是一種顛覆性的技術,但是目前技術成熟度最低,還需要在基礎研究和概念驗證方面開展更多工作,闡明其機理問題.

　　3.2適用于碳捕捉的燃燒技術

　　與燃燒相關的碳捕捉方法,可以分為兩類[70]:1)燃燒前捕捉,即脫除碳氫燃料的碳進行捕捉,燃料轉化氫燃料后進行燃燒;2)燃燒后碳捕捉,即將燃燒產物中的CO2分離出來進行捕捉.本文針對這兩類方法,分別討論適用的燃燒技術. 適用于燃燒前碳捕捉的燃燒技術需要能夠燃燒氫燃料.目前可行性比較大的是氫氣和氨氣.這兩種燃料的燃燒特性迥異.氫氣活性非常高,強旋流預混燃燒中極易發生回火.而氨氣活性很低,極易熄火,而且由于燃料氮的存在,貧預混燃燒的NOx排放很高.

　　由此可見,現有的強旋流貧預混燃燒技術不適合這兩種氫燃料.對于氫氣,需要考慮燃燒時的回火問題.相對于強旋流燃燒器,微混燃燒器的回流區很弱,甚至沒有.再加上管壁的淬滅效應,管式微混燃燒器有很好的抗回火能力,可以考慮將其與軸向燃料分級技術聯合,降低頭部的燃料空氣比,避免回火.此外,富燃(氧氣不足)可以有效避免回火,適合高氫燃料[50].

　　因此,可以進一步用管式微混燃燒器與RQL結合,獲得更好的抗回火能力.EGR與富氧燃燒可以富集燃燒產物中的CO2,提高碳捕捉效率.尤其是富氧燃燒,在碳減排方面有優勢,需要加大研究投入.其中常規富氧燃燒需要進一步在部件級試驗臺開展滿負荷工況的驗證,而超臨界富氧燃燒則需要集中在概念研究和燃燒器規模的驗證,解決基礎科學問題.富氧燃燒可以與分級燃燒或催化燃燒相結合,以改善其低負荷穩定性和燃燒效率.

　　除了這些常規的燃燒手段,還可以考慮將燃燒與燃料電池相結合,在提高碳捕捉效率的同時,提高系統的能源轉換效率.燃料電池的氧化劑與燃料有物理隔離,反應產物中的CO2與空氣中的氮氣是分離的,十分有利于碳捕捉.而且,燃料電池的能源轉換效率比燃氣輪機高,NOx排放很低.但是,燃料電池對燃料的要求比較高,不能使用傳統的碳氫燃料,如天然氣.因此,可以將RQL燃燒室與燃料電池相結合,組成RFQL(richGburn,fuelcell,quickmix,leanGburn)融合式燃燒室[71].碳氫燃料在富燃區轉化為CO與H2,進入燃料電池中反應.未反應完全燃料可以進入燃燒室的貧燃區進一步燃燒,產生的熱量驅動渦輪和壓氣機,為RFQL提供空氣.

　　4結論

　　本文基于未來的環保要求和碳減排趨勢,分析了燃氣輪機的技術發展趨勢.結果表明,目前基于強旋流+頭部分級的貧預混燃燒室已經不能滿足未來燃氣輪機在NOx排放、寬負荷運行性能和燃料適應性等方面的發展需求.必須發展新的燃燒技術,以適應未來燃氣輪機發展的要求,即提高效率的同時降低污染物排放,拓寬燃料適應性和低負荷運行穩定性,并降低碳捕捉成本.

　　為此,本文對10種先進燃燒技術展開綜述,從原理、技術成熟度、污染物排放等多個方面分析其發展現狀和應用前景,并提出下一步需要研究的問題.在此基礎上,拆解分析各項技術的原理,討論未來燃氣輪機燃燒技術的發展方向.考慮到多方面性能的平衡,未來先進燃燒室將是多種燃燒技術的組合.進一步提出了一種評價方法,定量分析和比較各技術的綜合性能和實施難易程度,為技術路線和攻關方向的篩選提供參考依據.軸向分級與微混燃燒相結合可以作為目前的技術主攻方向.為降低風險,可以分兩步走:第一步實現軸向分級,第二步實現微混燃燒.該方案的實施,能夠滿足短期內降低NOx排放和拓寬可調比、提高燃氫能力的要求.

　　燃氣工程論文范例： 城市燃氣信息化管理系統關鍵問題及建設探討

　　考慮到未來碳減排及進一步提高效率的發展趨勢,富氧燃燒、催化燃燒、增壓燃燒以及軸向分級—燃料電池融合是值得研究的重點方向.尤其是超臨界富氧燃燒、增壓燃燒和軸向分級—燃料電池融合,技術成熟度很低,需要在基礎研究和關鍵技術驗證上持續投入.

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　　作者：李蘇輝,張歸華,吳玉新